Abgasstrang einer BrennkraftmaschineExhaust line of an internal combustion engine
Die Erfindung betrifft einen Abgasstrang einer Brennkraftmaschine, mit zumindest einem Katalysator mit zumindest einem in einem Gehäuse angeordneten Katalysatorträger, welcher zumindest einen ersten und einen zweiten parallel durchströmbaren Bereich aufweist, wobei mittels einer im Abgasstrang angeordneten Schalteinrichtung die Strömung durch zumindest einen Bereich deaktivierbar ist.The invention relates to an exhaust system of an internal combustion engine, with at least one catalyst having at least one catalyst support arranged in a housing, which has at least a first and a second parallel-flow region, wherein the flow can be deactivated by at least one region by means of a switching device arranged in the exhaust system.
Weiters betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einem Abgassystem und mit zumindest einer Wassereinspritzeinrichtung zur Einspritzung von Wasser in den Abgasstrang.Furthermore, the invention relates to an internal combustion engine with an exhaust system and with at least one water injection device for the injection of water into the exhaust system.
Ferner betrifft die Erfindung einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit Flüssigkeitskühlung mit einem integral mit dem Zylinderkopf ausgebildeten flüs- sigkeitsgekühlten Abgaskrümmer, wobei der Zylinderkopf zumindest einen ersten Kühlraum aufweist.Furthermore, the invention relates to a cylinder head for a liquid-cooled internal combustion engine with a liquid-cooled exhaust manifold formed integrally with the cylinder head, wherein the cylinder head has at least one first cooling space.
Aus der DE 36 29 945 Al ist ein Abgasstrang mit einem Katalysator mit in einem Gehäuse angeordneten Katalysatorträgern bekannt, wobei die Katalysatorträger konzentrisch zueinander angeordnet sind und beide parallel zueinander durchströmbar sind. Dabei wird der Abgasstrom stromabwärts der Katalysatorträger in zwei Abgaskanäle aufgeteilt. Durch zumindest eine in einen Abgaskanal angeordnete Schalteinrichtung kann einer der beiden Katalysatorträger deaktiviert werden. Dadurch kann eine gegenseitige Temperaturbeeinflussung der Katalysatorträger erreicht werden, damit der für die Nachbehandlung der Abgase günstigste Temperaturbereich schneller erreicht, bzw. sicherer gehalten werden kann.From DE 36 29 945 Al an exhaust system with a catalyst with arranged in a housing catalyst carriers is known, wherein the catalyst carriers are arranged concentrically to each other and both are parallel to each other. In this case, the exhaust gas stream downstream of the catalyst carrier is divided into two exhaust gas channels. By at least one switching device arranged in an exhaust gas channel, one of the two catalyst carriers can be deactivated. As a result, a mutual influencing of the temperature of the catalyst carriers can be achieved so that the most favorable temperature range for the aftertreatment of the exhaust gases can be reached more quickly or kept more securely.
Die DE 102 01 042 Al offenbart eine Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine mit einem katalytischen Abgaskonverter mit einem Gehäuse, einem in dem Gehäuse gehalterten Katalysatorträger und einem Zulaufrohr. In dem Zulaufrohr ist ein Drallerzeuger angeordnet, der einen zentralen Strömungsweg freilässt. Der Katalysatorträger weist - in axialer Blickrichtung betrachtet - einen Innenbereich und einen Außenbereich auf, wobei die Zelldichte der Strömungskanäle in dem Innenbereich größer ist als in dem Außenbereich und/oder der Innenbereich mit größerer Katalysatoraktivität ausgeführt ist als der Außenbereich. Eine aktive Umschaltmöglichkeit zwischen den beiden Bereichen ist nicht vorgesehen.
Die DE 199 38 038 Al beschreibt eine Abgasbehandlungsvorrichtung mit variierender Zelldichte, wobei die Dichten der Zellgruppen so angeordnet sind, dass ein gleichmäßiger Fluss durch das gesamte Substrat gefördert wird.DE 102 01 042 A1 discloses an exhaust system for an internal combustion engine having a catalytic exhaust gas converter with a housing, a catalyst support supported in the housing and an inlet pipe. In the inlet pipe, a swirl generator is arranged, which leaves free a central flow path. The catalyst support has an inner area and an outer area, viewed in the axial direction of view, wherein the cell density of the flow channels in the inner area is greater than in the outer area and / or the inner area is designed with greater catalyst activity than the outer area. An active switching possibility between the two areas is not provided. DE 199 38 038 A1 describes an exhaust gas treatment device with varying cell density, wherein the densities of the cell groups are arranged so that a uniform flow through the entire substrate is promoted.
Weiters ist aus der DE 92 01 320 Ul eine Katalysatorvorrichtung für Brennkraftmaschinen bekannt, bei der an das das Katalysatorsubstrat umgebende Gehäuse mindestens zwei mit der Brennkraftmaschine verbindbare Abgaseintrittsrohre und mindestens zwei Gasaustrittsrohre angeschlossen sind, deren Querschnittsflächen auf der Ein- und Austrittsseite jeweils unterschiedlichen Bereichen der zugehörigen Substratstirnflächen gegenüberliegen. Über auf der Ein- und der Austrittsseite angeordnete Absperreinrichtungen kann eine betriebsabhängige Variation der Abgasströmungsführung durch das Katalysatorsubstrat mit und ohne mehrfache Strömungsumlenkung durchgeführt werden. Dadurch soll bei möglichst allen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine eine ausreichende abgasreinigende Wirkung gewährleistet werden. Bereiche mit unterschiedlichen physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften hinsichtlich des Ansprechverhaltens, der Durchlässigkeit, der katalytischen Aktivität und/oder der thermischen Trägheit sind nicht vorgesehen.Furthermore, from DE 92 01 320 Ul a catalyst device for internal combustion engines is known, in which the housing surrounding the catalyst substrate at least two connectable to the internal combustion engine exhaust inlet pipes and at least two gas outlet pipes are connected, the cross-sectional areas on the inlet and outlet side respectively different areas of the associated Face substrate faces. By means of shut-off devices arranged on the inlet and outlet side, an operation-dependent variation of the exhaust gas flow guidance through the catalyst substrate with and without multiple flow diversion can be carried out. This should be ensured at all possible operating conditions of the internal combustion engine, a sufficient exhaust gas cleaning effect. Areas with different physical and / or chemical properties with regard to the response, the permeability, the catalytic activity and / or the thermal inertia are not provided.
Die Auslegung des Querschnittes und der Durchlässigkeit des Katalysators stellt einen Kompromiss zwischen ausreichender mit Edelmetall beladener Fläche zur Sicherstellung eines raschen light-off beim Kaltstart und geringem Druckverlust bei Nennleistung dar. Ersteres erfolgt bei hochwirksamen katalytischen Be- schichtungen, bei gegebenem Bauraum, hohe Zelldichten, letzteres profitiert demgegenüber von geringen Zelldichten.The design of the cross-section and the permeability of the catalyst represents a compromise between sufficient surface loaded with noble metal to ensure a rapid light-off during cold start and low pressure drop at rated power. The first is in highly effective catalytic coatings, given a space, high cell densities, The latter, in contrast, benefits from low cell densities.
Dieser Zielkonflikt wird beim Stand der Technik zum Beispiel durch Hintereinanderschaltung eines ersten Katalysatorträgers mit einer hohen Zelldichte und kurzer Länge und eines zweiten Katalysatorträgers mit eher geringerer Zelldichte, aber größerer Länge und größeren Querschnittes, welche im Abgasstrang gesondert, oder aber auch in einem Gehäuse vereint sein können, gelöst. Eine weitere, gegenüber der erstgenannten Ausführung in ihrer Funktion stärker kompromissbehaftete Ausführungsform verwendet einen einzelnen Katalysatorträger, welcher an seiner Gaseintrittsseite auf einer bestimmten Länge mit einer besonders hochwirksamen katalytischen Beschichtung, auf der restlichen Länge jedoch mit einer vergleichsweise normalen Beschichtung versehen ist, so dass man von einer Zonenbeschichtung spricht. Weitere bezüglich der Funktion sicher vorteilhafte aber großen Bauaufwand fordernde Ausführungen, wie beispielsweise kaskadenartig schaltbar beaufschlagte Katalysatorträger, finden aufgrund ihrer Komplexität keine Verwendung. Elektrisch beheizbare Katalysatorträger für rasches light-off, welche aus diesem Grunde eher entsprechend den Anforderungen bei Nennleistung größer und druckverlustärmer ausgeführt werden könnten, be-
nötigen als Trägermaterial Metall und eine entsprechende elektrische Versorgung und werden wegen hoher Kosten derzeit kaum verwendet.This conflict of objectives is in the prior art, for example, by connecting a first catalyst support with a high cell density and short length and a second catalyst support with rather lower cell density, but longer and larger cross-section, which are separated in the exhaust line separately, or else in a housing can, solved. Another embodiment, which is more compromised in its function than the first-mentioned embodiment, uses a single catalyst support which is provided with a particularly highly effective catalytic coating on its gas inlet side over a certain length, but with a comparatively normal coating over the remaining length, so that one of a zone coating speaks. Other with respect to the function certainly advantageous but large construction cost demanding versions, such as cascade switchable acted catalyst support, find due to their complexity no use. Electrically heatable catalyst carriers for rapid light-off which, for this reason, could be carried out in accordance with the requirements at rated power greater and with lower pressure losses, necessary as a substrate metal and a corresponding electrical supply and are currently hardly used because of high costs.
Zukünftige Otto-Motor-Konzepte jedoch, welche spezielle durch die mehrstufige Turboaufladung eine Verdopplung der heute üblichen spezifischen Leistungen mit entsprechend extremen Spreizungen der niedrigsten und der maximalen Abgasvolumenströme erwarten lassen und überdies auf niedrige Abgasgegendrücke bei Volllast und Nennleistung angewiesen sind, werden aber mit den bekannten baulich einfachen Lösungen schwer zu bedienen sein. Baulich komplexe Lösungen, wie zum Beispiel Kaskadenanordnungen, werden an Bauraumgrenzen stoßen. Zudem wird das Aufheizverhalten durch die mit mehrstufigen Turboaufladekonzepten jedenfalls signifikant anwachsenden abgasbenetzten Wandflächen zusätzlich beeinträchtigt.Future gasoline engine concepts, however, which can be expected by the multi-stage turbocharging a doubling of the usual performance today with corresponding extreme spreads of the lowest and maximum exhaust gas flow rates and also rely on low exhaust back pressures at full load and rated power, but with the known structurally simple solutions difficult to use. Structurally complex solutions, such as cascade arrangements, will encounter building space limits. In addition, the heating behavior is additionally impaired by the at least significantly increasing exhaust-wetted wall surfaces with multistage turbocharging concepts.
Die Einhaltung von Bauteiltemperaturgrenzen beim Katalysator und/oder Turbolader wird derzeit durch Nutzung der Verdampfungswärme von zusätzlich eingespritztem Kraftstoff sichergestellt. Folglich ist fettes Gemisch in beträchtlichen Bereichen des Betriebskennfeldes vorhanden, was zum Großteil für die im Vergleich zum Dieselmotor deutlich ausgeprägte Differenz zwischen dem Zyklusverbrauch und dem Praxisverbrauch verantwortlich ist. Diese Problematik verstärkt sich mit zunehmender spezifischer Leistung und stellt einen Zielkonflikt für hoch aufgeladene Down-Sizing-Motorkonzepte dar, deren Sinn ja eine Verbrauchssenkung im realen Fahrzeugbetrieb ist.Compliance with component temperature limits in the catalytic converter and / or turbocharger is currently ensured by utilizing the heat of vaporization of additionally injected fuel. Consequently, rich mixture is present in considerable areas of the operating map, which is largely responsible for the distinct difference between cycle consumption and practical consumption compared to the diesel engine. This problem is intensified with increasing specific power and represents a conflict of objectives for highly charged down-sizing engine concepts whose purpose is indeed a reduction in fuel consumption in real vehicle operation.
Besonders Turbomotoren können mit stöchiometrischem Gemisch selbst bei Volllast und Nennleistung ausgesprochen verbrauchsgünstig mit Verbrauchsverbesserungen bei Nennleistung zwischen 15% und 30%, und Absolutwerten um etwa 260 g/kWh betrieben werden, wenn zu Kühlzwecken andere Maßnahmen als die Anfettung zum Einsatz kämen. Im realen Fahrbetrieb können die Einsparungen je nach Fahrprofil, Motor-Fahrzeug-Kombination und Kraftstoffqualität die Größenordnung von 5% bis 20% betragen.Especially turbocharged engines with stoichiometric mixture, even at full load and rated power, can be operated with consumption improvements at rated power between 15% and 30% and absolute values around 260 g / kWh if measures other than enrichment are used for cooling purposes. In real driving, the savings can range from 5% to 20%, depending on the driving profile, engine-vehicle combination and fuel quality.
Derzeit sind zwei Wege bekannt, um die genannte Verbrauchsverbesserung zu erreichen:At present there are two known ways of achieving the mentioned improvement in consumption:
1) Verwendung von hochtemperaturfesten Materialien für Auspuffkrümmer, Turbine und Katalysator, um den Anfettungsbedarf durch eine Verschiebung von den heute typischen Turbineneintrittstemperaturen von 9500C auf 10000C bis 10500C zu reduzieren. Neben signifikant höheren Kosten und sich verschärfender Problematik mit zum Beispiel Katalysatoralterung, thermomechanischen Problemen und Wärmeabstrahlung ist hier das Potenzial aber begrenzt. Insbesondere bei Betrieb mit ungünstigen heißen Umge-
bungsbedingungen, sowie billigeren Kraftstoffen geringerer Oktanzahl muss die Temperaturgrenze wiederum durch verstärktes Anfetten eingehalten werden.1) Use of high temperature resistant materials for exhaust manifold, turbine and catalyst to reduce the Anfettungsbedarf by a shift from the typical turbine inlet temperatures of 950 0 C today to 1000 0 C to 1050 0 C. In addition to significantly higher costs and increasing problems with, for example, catalyst aging, thermomechanical problems and heat radiation, the potential is limited here. Especially when operating with unfavorable hot conditions, as well as cheaper fuels of lower octane number, the temperature limit must again be met by increased enrichment.
2) Höheres Potenzial als eine Erhöhung des Temperaturlimits weist die Einbeziehung der abgasführenden Rohrleitungen vor der Turbine zum Beispiel in einen wassergekühlten Zylinderkopf auf, wie beispielsweise in der österreichischen Patentanmeldung A 1216/2005 beschrieben ist. Hier erfolgt die Gaskühlung nicht direkt, sondern indirekt durch den Wärmeübergang an Außenflächen. Durch entsprechende Auslegung ist ein breiterer Wirkungsbereich als mit der Temperaturgrenzanhebung möglich und der Bedarf für zusätzliches Anfetten potenziell geringer. Durch eine hohe Systemintegration lässt sich ein relativ geringer Herstellaufwand erzielen. Die Wärme wird allerdings in den Kühlwasserkreislauf abgeführt und bei Drehzahlen unterhalb des maximalen Drehmomentes ist eine gewisse Einbuße an Drehmoment bei Turbomotoren zu berücksichtigen, da eine Mindestdurchströmung des Wassermantels und somit Kühlung zur Eingrenzung des Wassersiedens aufrecht zu halten ist, was zu geringerem Energieinhalt des Abgases führt.2) Higher potential than an increase in the temperature limit, the involvement of the exhaust gas piping before the turbine, for example, in a water-cooled cylinder head, as described for example in the Austrian patent application A 1216/2005. Here, the gas cooling is not directly, but indirectly by the heat transfer to external surfaces. By appropriate design, a wider range of action than with the temperature limit increase is possible and the need for additional enrichment potentially lower. By a high system integration, a relatively low production costs can be achieved. However, the heat is dissipated in the cooling water circuit and at speeds below the maximum torque is a loss of torque in turbo engines to consider, since a minimum flow of the water jacket and thus cooling to limit the water boiling is to be maintained, resulting in lower energy content of the exhaust gas ,
Aus der WO 98/10185 Al ist es bekannt, Wasser zur N Ox- Reduktion vor einem Verdichter in ein Ansaugsystem einer Brennkraftmaschine einzuspritzen. Eine ähnliches System ist aus der JP 56-083516 A bekannt.From WO 98/10185 Al it is known to inject water for NO x - reduction in front of a compressor in an intake system of an internal combustion engine. A similar system is known from JP 56-083516 A.
Die US 5,131,229 A offenbart eine Turbo-Brennkraftmaschine mit externer Abgasrückführung, wobei in den Abgasstrom zur IM Ox- Reduktion Wasser eingespritzt wird. Das Wasser wird aus einem Tank entnommen, welcher zum Schutz gegen Einfrieren beheizbar ist.US 5,131,229 A discloses a turbo-internal combustion engine with external exhaust gas recirculation, wherein water is injected into the exhaust gas flow for the IM O x reduction. The water is taken from a tank, which can be heated to protect against freezing.
Die US 6,151,892 Al offenbart eine Brennkraftmaschine mit programmierter Wassereinspritzung in das Abgassystem, um die Gasdynamik zur besseren Anpassung der Zylinderspülung zu verändern. Dadurch wird die Schwingungslänge durch Änderung der Abgastemperatur beeinflusst.US 6,151,892 A1 discloses an internal combustion engine with programmed water injection into the exhaust system to change the gas dynamics to better match the cylinder scavenging. As a result, the vibration length is influenced by changing the exhaust gas temperature.
Weiters ist aus der US 6,357,227 Bl ein Abgassystem für eine Brennkraftmaschine bekannt, wobei ein Kondenswassersammler vorgesehen ist, welcher einer Einrichtung zur Reinigung des Abgases vorgeschaltet ist und strömungstechnisch mit der Abgasleitung verbunden ist. Der Kondenswassersammler ist mit einem Wasservorratsbehälter verbunden, der strömungstechnisch mit einem Speicher für Reduktionsmittel für einen Katalysator verbunden ist. Das Wasser, welches in der Abgasleitung geführt ist, kann vor Eintritt in die Abgasnachbehandlungseinrichtung kondensieren. Nachteilig ist, dass für die Kondensationseinrichtung Wasser aus den unbehandelten Abgasen stromaufwärts der Abgasnachbehand-
lungseinrichtung entnommen wird, wodurch das Kondensationssystem starker Verschmutzung ausgesetzt ist. Eine dauerhafte Funktion des Systems ist daher nicht gewährleistet.Furthermore, an exhaust gas system for an internal combustion engine is known from US Pat. No. 6,357,227 B1, wherein a condensate collector is provided, which is arranged upstream of a device for purifying the exhaust gas and is fluidically connected to the exhaust gas line. The condensate collector is connected to a water reservoir, which is fluidly connected to a storage for reducing agent for a catalyst. The water, which is guided in the exhaust pipe, can condense before entering the exhaust gas aftertreatment device. The disadvantage is that for the condensation device water from the untreated exhaust gases upstream of the exhaust aftertreatment is removed, whereby the condensation system is exposed to heavy pollution. A permanent function of the system is therefore not guaranteed.
Aus der US 2005/0087154 Al ist es bekannt, den Abgaskrümmer integral mit dem Zylinderkopf auszuführen. Der durch einen oberen und einen unteren Teilkühlraum gebildete Hauptkühlraum ist thermisch mit dem Abgaskrümmer verbunden. Eine getrennte Steuerung der Kühlung des Abgaskrümmers ist nicht vorgesehen.From US 2005/0087154 Al it is known to carry out the exhaust manifold integrally with the cylinder head. The main cooling space formed by an upper and a lower partial cooling space is thermally connected to the exhaust manifold. A separate control of the cooling of the exhaust manifold is not provided.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diesen Zielkonflikt mit vergleichsweise geringem zusätzlichen Aufwand zu lösen und möglichst in jedem Motorbetriebsbereich eine optimale Abgasreinigung zu ermöglichen.It is the object of the present invention to solve this conflict of objectives with comparatively little additional effort and, if possible, to enable optimal exhaust gas purification in each engine operating region.
Es ist auch Aufgabe der Erfindung, den Kraftstoffverbrauch wesentlich zu verringern.It is also an object of the invention to substantially reduce fuel consumption.
Weiters ist es Aufgabe der Erfindung, Kühlung des Abgaskrümmers, unabhängig vom Kühlraum des Zylinderkopfes einstellen zu können.Furthermore, it is an object of the invention to be able to adjust the cooling of the exhaust manifold independently of the cooling space of the cylinder head.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Bereiche des Katalysatorträgers unterschiedliche physikalische und/oder chemische Eigenschaften hinsichtlich des Ansprechverhaltens, der Durchlässigkeit, der katalytischen Aktivität und/oder der thermischen Trägheit aufweisen. Dabei kann vorgesehen sein, dass die beiden Bereiche unterschiedliche Zelldichten aufweisen und/oder dass die Bereiche unterschiedliche Beschichtungen aufweisen.According to the invention, this is achieved in that the regions of the catalyst support have different physical and / or chemical properties with regard to the response, the permeability, the catalytic activity and / or the thermal inertia. It can be provided that the two areas have different cell densities and / or that the areas have different coatings.
Die beiden Bereiche können koaxial zueinander oder in Längsrichtung gesehen nebeneinander angeordnet werden.The two areas can be arranged coaxially with each other or seen in the longitudinal direction side by side.
Die Querschnittsflächen der beiden Bereiche sind unterschiedlich. Der größere Bereich ist für den Nennleistungsbedarf ausreichend groß dimensioniert, der Bereich mit der kleiner Querschnittsfläche ist dem Kaltstart vorbehalten.The cross-sectional areas of the two areas are different. The larger area is dimensioned sufficiently large for the nominal power requirement, the area with the small cross-sectional area is reserved for the cold start.
Der Katalysatorträger ist vorzugsweise einstückig ausgebildet und besteht aus einem einzelnen Monolithen.The catalyst support is preferably formed in one piece and consists of a single monolith.
Die Schalteinrichtung kann durch eine einfache Schaltklappe gebildet sein, es ist aber auch möglich, dass die Schaltreinrichtung Teil des Wastegates eines im Abgasstrang angeordneten Abgasturboladers ist.The switching device may be formed by a simple switching flap, but it is also possible that the switching device is part of the wastegate of a arranged in the exhaust line exhaust gas turbocharger.
Prinzipiell ist es möglich, die Schalteinrichtung stromab- oder stromaufwärts des Katalysatorträgers im Abgasstrang anzuordnen.
Zwischen der Schalteinrichtung und dem Katalysatorträger ist längs zur Abgasströmung eine Trennwand angeordnet, welche eine entsprechend den Bereichen geteilte Strömung zwischen dem Katalysatorträger und der Schalteinrichtung ermöglicht.In principle, it is possible to arrange the switching device downstream or upstream of the catalyst carrier in the exhaust system. Between the switching device and the catalyst carrier, a dividing wall is arranged along the exhaust gas flow, which allows a flow divided in accordance with the regions between the catalyst carrier and the switching device.
Um hohe Temperaturgradienten zwischen den beiden Bereichen auszugleichen, ist es vorteilhaft, wenn im Bereich der Schalteinrichtung und/oder im Bereich der Trennwand zumindest eine Leckageöffnung angeordnet ist, welche eine vordefinierte Abgasmenge dem deaktivierten Bereich zumisst. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Leckageöffnung durch zumindest einen Durchbruch, eine Wellung oder eine Perforation der Trennwand, vorzugsweise in einem an den Katalysatorträger anschließenden Wandbereich, gebildet ist.In order to compensate for high temperature gradients between the two regions, it is advantageous if at least one leakage opening is arranged in the region of the switching device and / or in the region of the partition wall, which measures a predefined exhaust gas quantity to the deactivated region. It can be provided that the leakage opening is formed by at least one opening, a corrugation or a perforation of the partition wall, preferably in a wall region adjoining the catalyst support.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass im Bereich des Austritts aus dem zweiten Bereich des Katalysatorträgers eine erste Strömungsumlenkeinrichtung angeordnet ist, welche zumindest einen Teil des aus dem zweiten Bereich austretenden Abgases durch einen ersten Sektor des ersten Bereiches rückführt, so dass das Abgas meanderförmig durch den Abgaskatalysator strömt. Damit wird auch der erste Bereich des Katalysatorträgers auf Starttemperatur gebracht. Dadurch ergibt sich eine weitgehende Nutzung der Restwärme, bzw. der Exothermie beginnender Reaktionen, was ebenfalls beiträgt, um den Katalysator schnell auf Betriebstemperatur zu bringen.In a particularly preferred embodiment variant of the invention, provision is made for a first flow deflection device to be arranged in the region of the outlet from the second region of the catalyst support, which recirculates at least part of the exhaust gas leaving the second region through a first sector of the first region, so that the Exhaust gas meandering through the exhaust catalyst flows. Thus, the first region of the catalyst support is brought to start temperature. This results in an extensive use of the residual heat, or the exothermic reactions beginning, which also contributes to bring the catalyst quickly to operating temperature.
Die Bereiche und/oder Sektoren können - in Längsrichtung gesehen - nebeneinander angeordnet sein, aber auch eine koaxiale Anordnung zueinander ist denkbar.The areas and / or sectors can be arranged side by side, viewed in the longitudinal direction, but also a coaxial arrangement with respect to one another is conceivable.
Die Querschnittsflächen der Bereiche und/oder der Sektoren können unterschiedlich sein. Der größere Bereich ist für den Nennleistungsbedarf ausreichend groß dimensioniert, der Bereich mit der kleineren Querschnittsfläche ist dem Kaltstart vorbehalten.The cross-sectional areas of the regions and / or the sectors may be different. The larger area is dimensioned sufficiently large for the nominal power requirement, the area with the smaller cross-sectional area is reserved for the cold start.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass im Bereich des Eintrittes des ersten Bereiches des Katalysatorträgers eine zweite Strömungsumlenkeinrichtung für das aus dem ersten Sektor des ersten Bereiches aus dem Katalysatorträger austretende Abgas angeordnet ist, welche das rückgeführte Abgas einem zweiten Sektor des ersten Bereiches zuführt. Durch die Umlenkeinrichtungen kann das Abgas während der Aufwärmphase meanderförmig durch den Katalysatorträger geführt werden, was eine rasche Aufheizung des Abgaskatalysators auf die Ansprechtemperatur ermöglicht.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die erste Strömungsumlenkeinrichtung durch eine erste Schalteinrichtung gebildet ist, welche zwischen zumindest zwei Stellungen umschaltbar ist, wobei in einer ersten Stellung das aus dem zweiten Bereich des Katalysatorträgers austretende Abgas in Richtung des ersten Sektors des ersten Bereiches rückführbar ist. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass zwischen dem Katalysatorträger und der ersten Schalteinrichtung eine im Wesentlichen in Längsrichtung der Strömung ausgerichtete erste Trennwand angeordnet ist, wobei ein Ende der Trennwand stromabwärts des ersten Bereiches angeordnet ist und die Grenze zwischen erstem und zweitem Sektor des ersten Bereiches definiert.It is preferably provided that in the region of the entry of the first region of the catalyst support, a second flow deflection device is arranged for the exiting from the first sector of the first region of the catalyst carrier exhaust gas, which supplies the recirculated exhaust gas to a second sector of the first region. Due to the deflection, the exhaust gas during the warm-up phase can be guided meandering through the catalyst carrier, which allows rapid heating of the catalytic converter to the response temperature. It is particularly advantageous if the first flow deflection device is formed by a first switching device which can be switched between at least two positions, wherein in a first position the exhaust gas emerging from the second region of the catalyst carrier can be traced in the direction of the first sector of the first region. Preferably, it is provided that between the catalyst carrier and the first switching device is arranged a substantially longitudinally aligned flow of the first partition, wherein one end of the partition wall downstream of the first region is arranged and defines the boundary between the first and second sector of the first region.
Weiters kann vorgesehen sein, dass die zweite Strömungsumlenkeinrichtung durch eine zweite Schalteinrichtung gebildet ist, welche zumindest zwischen zwei Stellungen umschaltbar ist, wobei in einer ersten Stellung das durch den ersten Sektor des ersten Bereiches rückgeführte Abgas in Richtung eines zweiten Sektors des ersten Bereiches umlenkbar ist, wobei vorzugsweise zwischen der zweiten Schalteinrichtung und dem Katalysatorträger eine in Längsrichtung der Strömung ausgerichtete Trennwand angeordnet ist, welche die Abgasströmung - bei geöffneter zweiter Schalteinrichtung - in einen ersten zum ersten Bereich und einen zweiten zum Bereich führenden Strömungsweg teilt.Furthermore, it can be provided that the second flow deflection device is formed by a second switching device, which is switchable at least between two positions, wherein in a first position, the recirculated through the first sector of the first region exhaust gas is deflected in the direction of a second sector of the first region, wherein between the second switching device and the catalyst carrier, a longitudinally oriented flow dividing wall is arranged, which divides the exhaust gas flow - with the second switching device open - into a first region leading to the first region and a second region leading to the region.
Der Strömungsquerschnitt des zweiten Sektors des ersten Bereiches des Katalysatorträgers entspricht mindestens dem Strömungsquerschnitt des ersten Sektors des ersten Bereiches des Katalysatorträgers.The flow cross section of the second sector of the first region of the catalyst carrier corresponds at least to the flow cross section of the first sector of the first region of the catalyst carrier.
In einer einfachen Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste und/oder zweite Schalteinrichtung durch eine Schaltklappe gebildet ist. Es ist aber auch möglich, dass zumindest eine Schalteinrichtung funktional Teil eines Waste-Gates eines im Abgasstrang angeordneten Abgasturboladers ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die erste und die zweite Schalteinrichtung gleichzeitig über zumindest ein Stellorgan betätigbar sind.In a simple embodiment of the invention, it is provided that the first and / or second switching device is formed by a switching flap. But it is also possible that at least one switching device is functionally part of a wastegate of an exhaust gas turbocharger arranged in the exhaust system. It when the first and the second switching device are simultaneously actuated via at least one actuator is particularly advantageous.
Zur Verringerung des Kraftstoffverbrauches ist vorgesehen, dass die Wassereinspritzeinrichtung stromaufwärts einer Abgasnachbehandlungseinrichtung, vorzugsweise stromaufwärts einer Turbine eines Abgasturboladers, in den Abgasstrang einmündet. Durch das luftverteilte Einspritzen und Verdampfen von Wasser oder wässrigen Lösungen in den Auslassstrang kann der Bedarf einer Ge- mischanfettung weitestgehend unterbunden werden.To reduce the fuel consumption is provided that the water injection device upstream of an exhaust aftertreatment device, preferably upstream of a turbine of an exhaust gas turbocharger, opens into the exhaust system. Through the air-distributed injection and evaporation of water or aqueous solutions into the outlet branch, the need for a mixture enrichment can be largely prevented.
Das Wasser kann dabei aus direkter Betankung, durch Kondensation von Motorabgasen (ca. 1 kg Wasser je kg verbrannten Kraftstoffes) in einem geeigneten Kondensationssystem, sowie durch Nutzung von Kondensaten fahrzeugseitiger
Systeme, zum Beispiel der Klimaanlage, bezogen werden. Um laufend anfallende geringe Kondensatmengen zu sammeln und um die zur Kondensation nötigen Wärmeaustauschflächen klein zu halten, ist ein Reservoir vorgesehen, dessen Größe entsprechend der Betriebserfahrung so ausgelegt ist, dass ein Leerfahren unterbleibt. Da das Wasser eine etwa fünffache Verdampfungswärme von Kraftstoff aufweist, ist der volu metrische Bedarf an Wasser, bzw. Kondensat zur Ab- gaskühlung vergleichsweise gering. Die Einsparung beim durchschnittlichen Kraftstoffverbrauch durch den Verzicht auf Gemischanfettung kann je nach Fahrprofil, Motor-Fahrzeug-Kombination und Kraftstoffqualität die Größenordnung von 5% bis 20% betragen. Beispielsweise können je Liter verbrauchten Wassers etwa 5 Liter Kraftstoffe eingespart werden.The water can be from direct fueling, by condensation of engine exhaust gases (about 1 kg of water per kg of burned fuel) in a suitable condensation system, as well as by using condensates on the vehicle side Systems, for example, the air conditioning, related. In order to collect continuously accumulating small amounts of condensate and to keep the heat exchange surfaces necessary for condensation small, a reservoir is provided, the size of which is designed according to the operating experience so that a Leerfalls does not occur. Since the water has about five times the heat of evaporation of fuel, the volumetric demand for water or condensate for exhaust gas cooling is comparatively low. The savings in average fuel consumption through the absence of greasing can be of the order of 5% to 20% depending on the driving profile, engine-vehicle combination and fuel quality. For example, per liter of spent water about 5 liters of fuel can be saved.
Dabei kann vorgesehen sein, dass das Kondensationssystem eine Abgaskondensationsvorrichtung aufweist, welche über eine Abgasentnahmeleitung mit dem Abgasstrang verbindbar ist. Alternativ oder zusätzlich dazu ist es möglich, dass das Kondensationssystem eine Luftkondensationseinrichtung aufweist, wobei vorzugsweise das Luftkondensationssystem Teil einer Klimaanlage ist.It can be provided that the condensation system has an exhaust gas condensation device which can be connected to the exhaust gas line via an exhaust gas removal line. Alternatively or additionally, it is possible that the condensation system comprises an air condensation device, wherein preferably the air condensation system is part of an air conditioning system.
Eine vorteilhafte Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass das Kondensationssystem einen Kondensator mit Filter und Reservoir aufweist, in welchen der Kondensatzulauf der Abgaskondensationseinrichtung und/oder der Kondensationszulauf einer Luftkondensationseinrichtung, vorzugsweise einer Klimaanlage, einmündet, wobei vorzugsweise das Wassereinspritzsystem eine Mengenregelungseinrichtung aufweist, welche im Wassereinspritzsystem stromabwärts einer Speisepumpe angeordnet ist.An advantageous embodiment of the invention provides that the condensation system has a condenser with filter and reservoir, in which the condensate inlet of the exhaust gas condensing device and / or the condensation feed an air condensation device, preferably an air conditioner, opens, preferably wherein the water injection system has a flow control device, which in the water injection system is arranged downstream of a feed pump.
Die Standzeit des Kondensationssystems kann wesentlich erhöht werden, wenn die Abgasentnahmeleitung stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung vom Abgasstrang abzweigt. Um wintersicheren Betrieb zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, wenn das Wassereinspritzsystem entweder eine Frostsicherungseinrichtung aufweist oder derart gestaltet ist, dass die korrekte Funktion mit zunehmender Erwärmung des Motors wieder verfügbar wird. Ein frostbedingter Ausfall der Funktion kann durch die Motorsteuerung detektiert werden, wobei bei Bedarf die bekannte Gemischanreicherung zur Einhaltung von Grenztemperaturen verwendet werden kann, bis das System wieder funktionsfähig ist. Dasselbe gilt auch für den Fall zu geringen Kondensatangebotes nach beispielsweise langer Betriebsunterbrechung eines Fahrzeuges.The service life of the condensation system can be substantially increased if the exhaust gas extraction line branches off from the exhaust gas line downstream of the exhaust gas aftertreatment device. In order to ensure winter-safe operation, it is advantageous if the water injection system either has a frost protection device or is designed such that the correct function becomes available again with increasing heating of the engine. A frost-related failure of the function can be detected by the engine control, which if necessary, the known mixture enrichment can be used to comply with limit temperatures until the system is functional again. The same applies to the case of too little condensate supply after, for example, a long interruption of operation of a vehicle.
Das über die Abgasentnahmeleitung abgezweigte Abgas wird nach Passieren der Abgaskondensationseinrichtung einem Einlassstrang der Brennkraftmaschine über eine an das Kondensationssystem anschließende Abgasrückführleitung zugeführt, wobei in der Abgasrückführleitung ein Rückschlagventil oder ein Regel-
ventil angeordnet sein kann. Um auch im aufgeladenen Teillastbetrieb eine Rückgewinnung von Wasser aus dem Abgas unter Rückführung von Abgas in den Einlassstrang zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn die Abgasrückführleitung stromaufwärts eines Verdichters in den Einlassstrang einmündet.After passing through the exhaust gas condensing device, the exhaust gas branched off via the exhaust gas removal line is fed to an intake branch of the internal combustion engine via an exhaust gas recirculation line adjoining the condensation system, wherein a non-return valve or a control valve is provided in the exhaust gas recirculation line. valve can be arranged. In order to enable a recovery of water from the exhaust gas with recirculation of exhaust gas into the intake line even in the charged partial load operation, it is advantageous if the exhaust gas recirculation line opens into the intake line upstream of a compressor.
Um die Kühlung des Abgaskrümmers, unabhängig vom Kühlraum des Zylinderkopfes, einstellen zu können, ist es vorteilhaft, wenn der Bereich des Abgaskrümmers zumindest teilweise von einem zweiten Kühlraum umgeben ist, welcher zumindest teilweise vom ersten Kühlraum getrennt ist, wobei vorzugsweise der Kühlmittelstrom durch den zweiten Kühlraum getrennt vom Kühlmittelstrom durch den ersten Kühlraum einstellbar ist. In den zweiten Kühlraum mündest zumindest ein vorzugsweise von der Zylinderkopfdichtfläche ausgehender separater Kühlmitteleintritt, welcher mit einem Kühlmantel des Zylinderblockes strö- mungsverbindbar ist.In order to adjust the cooling of the exhaust manifold, independently of the cooling space of the cylinder head, it is advantageous if the region of the exhaust manifold is at least partially surrounded by a second cooling space which is at least partially separated from the first cooling space, wherein preferably the coolant flow through the second Refrigerator is separated from the coolant flow through the first cooling chamber adjustable. At least one separate coolant inlet, preferably emanating from the cylinder head sealing surface, which is flow-connectable to a cooling jacket of the cylinder block, is present in the second cooling space.
Der Wassereintritt in den zweiten Kühlraum kann als separater Wassereintritt von außen oder über Öffnungen im Feuerdeck erfolgen. Bei letztgenannter Ausführung können Drosselöffnungen in der Zylinderkopfdichtung eine zusätzliche Abstimmung der Kühlmittelmenge und der Gleichverteilung ermöglichen. Der Kühlmitteleintritt oder Kühlmittelaustritt des zusätzlichen zweiten Kühlraums kann ein Thermostat oder ein vorzugsweise elektrisches Schaltventil zur Steuerung des Zusatzwasserkreislaufes in der Motoraufheizphase enthalten.The water inlet into the second cold room can be done as a separate water inlet from the outside or through openings in the fire deck. In the latter embodiment, throttle openings in the cylinder head gasket can allow additional tuning of the coolant quantity and the uniform distribution. The coolant inlet or coolant outlet of the additional second cooling space may contain a thermostat or a preferably electrical switching valve for controlling the additional water circuit in the engine heating phase.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen schematisch:The invention will be explained in more detail below with reference to FIGS. They show schematically:
Fig. 1 einen Teil eines erfindungsgemäßen Abgasstranges in einem Längsschnitt;Figure 1 shows a part of a Abgasstranges invention in a longitudinal section.
Fig. 2 den Abgasstrang in einem Schnitt gemäß der Linie II-II in Fig. 1;Figure 2 shows the exhaust line in a section along the line II-II in Fig. 1.
Fig. 3 den Abgasstrang in einem Schnitt gemäß der Linie III-III in Fig. 1;3 shows the exhaust gas line in a section along the line III-III in Fig. 1.
Fig. 4 einen Katalysator in einem Längsschnitt;4 shows a catalyst in a longitudinal section;
Fig. 5 einen Katalysator in einem Querschnitt in einer ersten Ausführungsvariante;5 shows a catalyst in a cross section in a first embodiment;
Fig. 6 einen Katalysator in einem Querschnitt in einer zweiten Ausführungsvariante;6 shows a catalyst in a cross section in a second embodiment;
Fig. 7 einen Katalysator in einem Querschnitt in einer dritten Ausführungsvariante;
Fig. 8 einen Katalysator in einem Querschnitt in einer vierten Ausführungsvariante;7 shows a catalyst in a cross section in a third embodiment; 8 shows a catalyst in a cross section in a fourth embodiment;
Fig. 9 einen Katalysator in einem Querschnitt in einer fünften Ausführungsvariante;9 shows a catalyst in a cross section in a fifth embodiment;
Fig. 10 einen Katalysator in einem Querschnitt in einer sechsten Ausführungsvariante;10 shows a catalytic converter in a cross section in a sixth embodiment;
Fig. 11 einen Teil eines erfindungsgemäßen Abgasstranges in einer weiteren Ausführungsvariante in einem Längsschnitt während einer Warmlaufphase;11 shows a part of an exhaust line according to the invention in a further embodiment in a longitudinal section during a warm-up phase;
Fig. 12 den selben Teil im betriebswarmen Zustand;Fig. 12 the same part in the warm operating condition;
Fig. 13 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in einer ersten Ausführungsvariante;13 shows an internal combustion engine according to the invention in a first embodiment;
Fig. 14 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in einer zweiten Ausführungsvariante;14 shows an internal combustion engine according to the invention in a second embodiment variant;
Fig. 15 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in einer dritten Ausführung s Variante;15 shows an internal combustion engine according to the invention in a third embodiment s variant;
Fig. 16 ein Kennfeld einer Otto-Brennkraftmaschine;16 is a characteristic diagram of an Otto internal combustion engine;
Fig. 17 einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf in einem Schnitt gemäß der Linie XVII-XVII in Fig. 18;FIG. 17 shows a cylinder head according to the invention in a section according to the line XVII-XVII in FIG. 18; FIG.
Fig. 18 den Zylinderkopf in einer feuerdeckseitigen Ansicht; undFIG. 18 shows the cylinder head in a fire deck side view; FIG. and
Fig. 19 den Zylinderkopf in einem Schnitt gemäß der Linie XIX-XIX in Fig. 17.19 shows the cylinder head in a section along the line XIX-XIX in Fig. 17th
Im Abgasstrang 1 ist ein Abgaskatalysator 2 mit einem in einem Gehäuse 3 angeordneten, durch einen Monolithen gebildeten Katalysatorträger 4 vorgesehen, welcher einen ersten Bereich 5 und einen zweiten Bereich 6 mit unterschiedlichen Eigenschaften hinsichtlich des Anspringverhaltens, der Durchlässigkeit, der katalytischen Aktivität oder dergleichen aufweist. Die unterschiedlichen Eigenschaften werden durch unterschiedliche Zelldichten und/oder unterschiedliche Beschichtungen des Katalysatorträgers 4 in den beiden Bereichen 5, 6 bewirkt. Nahe des Eintrittsbereiches oder des Austrittsbereiches in den Katalysatorträger 4 ist im Abgasstrang 1 eine durch eine Klappe 7 gebildete Schalteinrichtung 8 angeordnet. Zwischen der Schalteinrichtung 8 und dem Katalysatorträger 4 ist
eine durch ein Blech gebildete Trennwand 9 in Richtung der Abgasströmung ausgerichtet, welche zwischen dem Katalysatorträger 4 und der Schalteinrichtung 8 die Abgasströmung in zwei Strömungswege entsprechend den Bereichen 5, .6 teilt.In the exhaust line 1, an exhaust gas catalyst 2 is provided with a catalyst carrier 4 arranged in a housing 3 and formed by a monolith, which has a first region 5 and a second region 6 with different properties with regard to the light-off behavior, the permeability, the catalytic activity or the like. The different properties are brought about by different cell densities and / or different coatings of the catalyst carrier 4 in the two regions 5, 6. Near the inlet region or the outlet region into the catalyst carrier 4, a switching device 8 formed by a flap 7 is arranged in the exhaust gas line 1. Between the switching device 8 and the catalyst carrier 4 is a partition wall 9 formed by a sheet metal aligned in the direction of the exhaust gas flow, which divides the exhaust gas flow between the catalyst carrier 4 and the switching device 8 into two flow paths corresponding to the areas 5, .6.
Zum Abbau hoher Temperaturgradienten der beiden Bereiche 5, 6 weist die Trennwand 9 Leckageöffnungen 10, welcher bei geschlossener Klappe 7 einen Mindestdurchfluss durch den deaktivierten Bereich 5 erlauben. Der Mindestdurch- fluss kann durch Durchbrüche, Wellungen, Perforationen oder dergleichen in der Trennwand 9 ausgebildet sein.In order to reduce high temperature gradients of the two areas 5, 6, the partition wall 9 has leakage openings 10, which allow a minimum flow through the deactivated area 5 when the flap 7 is closed. The minimum flow can be formed by openings, corrugations, perforations or the like in the partition wall 9.
Die Figuren 4 bis 10 zeigen verschiedene konstruktive Anordnungsmöglichkeiten der beiden Bereiche 5, 6. In Fig. 5 weisen die Bereiche 5, 6 gleiche Zelldichte, allerdings unterschiedliche Beschichtung auf. In den restlichen Figuren 6 bis 10 sind die Bereiche 5, 6 mit unterschiedlichen Zelldichten ausgeführt. Neben einer kreisrunden Querschnittsform ist auch eine ovale Form möglich, wie in den Fig. 9 bis Fig. 10 dargestellt ist. Der kleinere Bereich 6 kann seitlich im Bereich einer Außenwand oder konzentrisch zum größeren Bereich 5 angeordnet sein.FIGS. 4 to 10 show various constructional arrangement possibilities of the two regions 5, 6. In FIG. 5, the regions 5, 6 have the same cell density but different coating. In the remaining FIGS. 6 to 10, the regions 5, 6 are designed with different cell densities. In addition to a circular cross-sectional shape, an oval shape is also possible, as shown in FIGS. 9 to 10. The smaller area 6 can be arranged laterally in the area of an outer wall or concentrically to the larger area 5.
Die Klappe 7 ist beim Kaltstart geschlossen. Nach dem sogenannten light-off wird die Klappe 7 durch die Motorsteuerung zunehmend geöffnet, um während des Aufheizens des restlichen großen Bereiches 5 des Monolithen die katalytische Reaktion aufrecht zu erhalten. Nach Anspringen des gesamten Katalysators 2 wird die Klappe 7 völlig aus dem Abgasstrom geschwenkt. Bei Anwendungen mit in Betrieb extrem großen Spreizungen des Abgasvolumenstromes kann ein Ausgehen des Katalysators 2, zum Beispiel bei Leerlauf, durch vorgehaltenes Schließen der Klappe 7 verhindert werden. Die Klappe 7 kann in vergleichbarer Form auch am Austrittsstutzen angebracht sein. Um unbeherrschbar große Dimensionen, thermische Belastungen und Stellkräfte der Klappe 7 zu vermeiden, ist diese in einem Bereich mit relativ kleinem Durchmesser, also am Beginn des Eintrittsgehäuses oder am Ende des Ausströmgehäuses angeordnet, wobei die Trennwand 9 die Gasführung bis unmittelbar an den Eintritt in die Bereiche 5, 6 des Katalysatorträgers 4 besorgt. Durch die Gestaltung der Trennwand 9 kann zudem Einfluss auf die Anströmung des Katalysatorträgers genommen werden.The flap 7 is closed during cold start. After the so-called light-off, the flap 7 is increasingly opened by the motor control to maintain the catalytic reaction during the heating of the remaining large area 5 of the monolith. After starting the entire catalyst 2, the flap 7 is completely pivoted out of the exhaust stream. In applications with operating extremely large spreads of the exhaust gas volume flow outgoing the catalyst 2, for example, at idle, by vorhaltenes closing the flap 7 can be prevented. The flap 7 may be mounted in a comparable form at the outlet nozzle. In order to avoid uncontrollable large dimensions, thermal loads and actuating forces of the flap 7, this is in a region of relatively small diameter, ie arranged at the beginning of the inlet housing or at the end of Ausströmgehäuses, wherein the partition wall 9, the gas guide until just at the entrance to the Areas 5, 6 of the catalyst carrier 4 worried. The design of the partition wall 9 can also influence the flow of the catalyst support can be taken.
Der Bereich 6 kann über seine Länge für ein rasches light-off mit einer besonders hochwirksamen katalytischen Beschichtung versehen sein. Zum Unterschied zu bekannten Beschichtungen erfolgt die Zonenbeschichtung des Katalysatorträgers 4 nicht entlang seiner Durchströmungsachse, sondern in radialer Richtung parallel zur Durchströmungsachse, entsprechend der beabsichtigten Größe des durch die Klappe 7 für den Kaltlauf zur Beaufschlagung vorgesehenen Kreissegments oder sonstigen Flächenabschnitts.
Weiters kann das keramische Substrat des Katalysatorträgers 4 im Bereich 6 des Monolithen entsprechend der Herstellung im Strangpressverfahren mit höherer Zelldichte ausgeführt werden, um vorteilhaft große aktive Flächen bei geringer thermischer Trägheit zu erhalten. Diese Maßnahme kann auch in Kombination mit der zuvor beschriebenen Zonenbeschichtung vorgenommen werden.The region 6 may be provided over its length for a rapid light-off with a particularly highly effective catalytic coating. In contrast to known coatings, the zone coating of the catalyst support 4 is not along its flow axis, but in the radial direction parallel to the flow axis, corresponding to the intended size of the provided by the flap 7 for the cold run for applying circular segment or other surface portion. Furthermore, the ceramic substrate of the catalyst support 4 can be performed in the region 6 of the monolith according to the production in the extrusion process with higher cell density, to obtain advantageously large active areas with low thermal inertia. This measure can also be carried out in combination with the zone coating described above.
Die Fig. 11 und Fig. 12 zeigen einen Abgasstrang 101, in welchem ein Abgaskatalysator 102 mit einem in einem Gehäuse 103 angeordneten, durch einen Monolithen gebildeten Katalysatorträger 104 vorgesehen ist, welcher einen ersten Bereich 105 und einen zweiten Bereich 106 mit bei Bedarf unterschiedlichen Eigenschaften hinsichtlich des Anspringverhaltens, der Durchlässigkeit, der kata- lytischen Aktivität oder dergleichen aufweist. Die unterschiedlichen Eigenschaften werden durch unterschiedliche Zelldichten und/oder unterschiedliche Beschich- tungen des Katalysatorträgers 104 in den Bereichen 105, 106 bewirkt. Nahe des Eintrittsbereiches und des Austrittsbereiches in, bzw. aus dem Katalysatorträger 104 sind im Abgasstrang 101 durch Klappen 107a, 107b gebildete Schalteinrichtungen 108a, 108b angeordnet. Zwischen erster Schalteinrichtung und dem Katalysatorträger 104 ist eine beispielsweise durch ein Blech gebildete erste Trennwand 109a in Richtung der Abgasströmung ausgerichtet. Zwischen der zweiten Schalteinrichtung 108b und dem Katalysatorträger 104 ist ebenfalls eine zweite Trennwand 109b vorgesehen, welche im Wesentlichen längs der Abgasströmung S angeordnet ist. Die zweite Trennwand 109b teilt - bei geöffneter zweiter Klappe 107b - die Abgasströmung in zwei Strömungswege entsprechend den Bereichen 105, 106 auf. Die erste Schalteinrichtung 108a bildet zusammen mit der ersten Trennwand 109a eine erste Umlenkeinrichtung lila für aus dem zweiten Bereich 106 des Katalysatorträgers 104 austretendes Abgas aus. Das Ende 109a' der zweiten Trennwand 109a ist dabei im Bereich des Austrittes des ersten Bereiches 105 angeordnet, so dass die entsprechend dem Pfeil S umgelenkte Abgasströmung in einem ersten Sektor 105a des ersten Bereiches 105 rückgeführt wird. Durch die Wahl der Anordnung des Endes 109a' der ersten Trennwand 109a kann das Verhältnis der Strömungsquerschnitte des ersten Sektors 105a zum zweiten Sektor 105b festgesetzt werden, wobei der Strömungsquerschnitt des zweiten Sektors 105b größer oder gleich dem Strömungsquerschnitt des ersten Sektors 105a ist. Das rückgeführte Abgas wird nach Durchströmen des ersten Sektors 105a des ersten Bereiches 105 durch die zweite Umlenkeinrichtung 111b, die durch die zweite Schalteinrichtung 8b und die zweite Trennwand 9b gebildet wird, nochmals umgelenkt und einem zweiten Sektor 105b des ersten Bereiches 105 des Katalysatorträgers 104 zugeführt, so dass das Abgas meanderartig den Katalysatorträger 104 in drei Zügen durchströmt. Die Schalteinrichtungen 108a, 108b können synchron über eine Stelleinrichtung 112 geschlossen oder geöffnet werden.
Die Bereiche 105, 106 können verschiedene konstruktive Formen und/oder Be- schichtungen aufweisen. Es ist denkbar, dass die Bereiche 105, 106 mit gleicher Zelldichte, aber unterschiedlichen Beschichtungen ausgeführt sind. Genauso ist es möglich, die Bereiche 105, 106 mit unterschiedlichen Zelldichten auszuführen. Neben einer kreisrunden Querschnittsform ist auch eine ovale Form möglich. Der kleinere Bereich 106 kann seitlich im Bereich einer Außenwand des Gehäuses 103, oder auch konzentrisch zum größeren Bereich 105 angeordnet sein.FIGS. 11 and 12 show an exhaust gas line 101 in which an exhaust gas catalytic converter 102 is provided with a catalyst carrier 104 arranged in a housing 103 and formed by a monolith, which has a first area 105 and a second area 106 with different properties if required with regard to light-emitting behavior, permeability, catalytic activity or the like. The different properties are brought about by different cell densities and / or different coatings of the catalyst carrier 104 in the regions 105, 106. Near the inlet region and the outlet region in or out of the catalyst carrier 104, switching devices 108a, 108b formed in the exhaust gas line 101 by flaps 107a, 107b are arranged. Between the first switching device and the catalyst support 104, a first partition wall 109a formed, for example, by a sheet, is aligned in the direction of the exhaust gas flow. Between the second switching device 108b and the catalyst carrier 104, a second partition wall 109b is also provided, which is arranged substantially along the exhaust gas flow S. The second partition wall 109b divides the exhaust gas flow into two flow paths corresponding to the regions 105, 106 with the second flap 107b open. The first switching device 108a forms, together with the first partition wall 109a, a first deflecting device purple for exhaust gas exiting from the second region 106 of the catalyst carrier 104. The end 109a 'of the second partition wall 109a is arranged in the region of the outlet of the first region 105, so that the exhaust gas flow deflected according to the arrow S is returned in a first sector 105a of the first region 105. By choosing the arrangement of the end 109a 'of the first partition wall 109a, the ratio of the flow cross sections of the first sector 105a to the second sector 105b can be set, wherein the flow cross section of the second sector 105b is greater than or equal to the flow cross section of the first sector 105a. The recirculated exhaust gas, after flowing through the first sector 105a of the first region 105 through the second deflecting device 111b formed by the second switching device 8b and the second dividing wall 9b, is redirected again and fed to a second sector 105b of the first region 105 of the catalyst carrier 104, so that the exhaust gas meandering through the catalyst carrier 104 in three passes. The switching devices 108a, 108b can be closed or opened synchronously via an adjusting device 112. The regions 105, 106 may have various structural shapes and / or coatings. It is conceivable that the regions 105, 106 are designed with the same cell density but different coatings. Likewise, it is possible to execute the regions 105, 106 with different cell densities. In addition to a circular cross-sectional shape and an oval shape is possible. The smaller area 106 can be arranged laterally in the region of an outer wall of the housing 103, or also concentrically with the larger area 105.
Die Klappen 107a, 107b sind bei Kaltstart geschlossen, wie in Fig. 11 dargestellt ist. Das Abgas strömt entsprechend dem Pfeil S in Fig. 11 durch den zweiten Bereich 106, wird durch die Umlenkeinrichtung lila umgelenkt und durch einen ersten Sektor 105a des ersten Bereiches 105 des Katalysatorträgers 104 rückgeführt. Danach wird das Abgas durch die zweite Umlenkeinrichtung 111b nochmals umgelenkt und durchströmt den zweiten Sektor 105b des ersten Bereiches 105. Durch diese meanderförmige Durchströmung des Katalysatorträgers 104 wird ein besonders schnelles und über den Querschnitt gleichmäßiges Aufheizen des Abgaskatalysators 102 erreicht. Nach Anspringen des gesamten Abgaskatalysators 102 werden die Klappen 107a, 107b völlig aus dem Abgasstrom geschwenkt, wie in Fig. 12 dargestellt ist.The flaps 107a, 107b are closed at cold start, as shown in Fig. 11. The exhaust gas flows through the second region 106 in accordance with the arrow S in FIG. 11, is deflected by the deflecting device 1 a and returned through a first sector 105 a of the first region 105 of the catalyst carrier 104. Thereafter, the exhaust gas is again deflected by the second deflecting device 111b and flows through the second sector 105b of the first region 105. This meandering flow through the catalyst carrier 104 achieves a particularly rapid heating of the exhaust gas catalytic converter 102 which is uniform over the cross section. After starting the entire catalytic converter 102, the flaps 107a, 107b are completely pivoted out of the exhaust gas flow, as shown in Fig. 12.
Auch hier kann der Bereich 106 kann über seine Länge für ein rasches Light-off mit einer besonders hochwirksamen katalytischen Beschichtung versehen sein. Zum Unterschied zu bekannten Beschichtungen erfolgt die Zonenbeschichtung des Katalysatorträgers nicht entlang seiner Durchströmungsachse, sonder in radialer Richtung parallel zur Durchströmungsachse, entsprechend der beabsichtigten Größe des durch die Klappen 107a, 107b für den Kaltlauf zur Beaufschlagung vorgesehenen Kreissegments oder sonstigen Flächenabschnittes.Again, the region 106 may be provided over its length for a rapid light-off with a particularly highly effective catalytic coating. In contrast to known coatings, the zone coating of the catalyst support is not along its flow axis, but in the radial direction parallel to the flow axis, according to the intended size of the provided by the flaps 107 a, 107 b for the cold run for applying circular segment or other surface section.
Weiters kann das keramische Substrat des Katalysatorträgers 104 im Bereich 106 des Monolithen entsprechend der Herstellung im Strangpressverfahren mit höherer Zelldichte ausgeführt werden, um vorteilhaft große aktive Flächen bei geringer thermische Trägheit zu erreichen. Diese Maßnahme kann auch in Kombination mit der zuvor beschriebenen Zonenbeschichtung vorgenommen werden.Furthermore, the ceramic substrate of the catalyst support 104 in the region 106 of the monolith can be carried out in accordance with the production in the extrusion process with higher cell density in order to advantageously achieve large active areas with low thermal inertia. This measure can also be carried out in combination with the zone coating described above.
Fig. 13 zeigt eine Brennkraftmaschine 201 mit einem Einlassstrang 202 und einem Abgasstrang 203. Mit Bezugszeichen 204b ist eine im Abgasstrang 203 angeordnete Turbine eines Abgasturboladers 204 bezeichnet. Über eine Wassereinspritzeinrichtung 205 eines Wassereinspritzsystems 206 kann Wasser stromaufwärts der Turbine 204b und stromaufwärts einer Abgasnachbehandlungseinrichtung 207 in den Abgasstrang 203 eingespritzt werden. Das Wassereinspritzsystem 206 weist weiters eine Speisepumpe 208 und eine Mengenregeleinrichtung 209 zur Zumessung der Wassermenge auf. Die Speisepumpe 208 und
die Mengenregeleinrichtung 209 werden durch eine Steuereinheit ECU gesteuert. Die Einspritzung erfolgt bevorzugt in die Auslasskanäle der Brennkraftmaschine 201, unmittelbar nach den Auslassventilen. Die Wassereinspritzeinrichtung 205 ist so konzipiert, dass eine weitestgehend luftverteilte Einspritzung des Wassers sichergestellt wird. Dies kann entweder über Zerstäuberdüsen oder über individuelle Zerstäuber-Ventileinheiten erfolgen. Die Düsen der Wassereinspritzeinrichtung 205 müssen dabei in einer gekühlten Umgebung angeordnet sein, so dass keine Dampfblasenbildung in der Düse und innerhalb der Verteilerleitungen stattfindet.FIG. 13 shows an internal combustion engine 201 with an inlet line 202 and an exhaust line 203. Reference symbol 204b denotes a turbine of an exhaust gas turbocharger 204 arranged in the exhaust line 203. Via a water injection device 205 of a water injection system 206, water can be injected into the exhaust line 203 upstream of the turbine 204b and upstream of an exhaust gas aftertreatment device 207. The water injection system 206 further includes a feed pump 208 and a flow regulator 209 for metering the amount of water. The feed pump 208 and the quantity control device 209 are controlled by a control unit ECU. The injection is preferably carried out in the exhaust ports of the internal combustion engine 201, immediately after the exhaust valves. The water injection device 205 is designed so that a largely air-distributed injection of the water is ensured. This can be done either via atomizing nozzles or via individual atomizer valve units. The nozzles of the water injection device 205 must be arranged in a cooled environment, so that no vapor bubble formation takes place in the nozzle and within the distribution lines.
Die Wassergewinnung kann an Bord des Fahrzeuges durch ein Kondensationssystem 210 mit einem Kondensator 210a, einem nicht dargestellten Filter und einem Reservoir 211 erfolgen. In das Reservoir 211 des Kondensationssystems 210 mündet der Kondensatzulauf 212 einer Abgaskondensationseinrichtung und/ oder der Kondensatzulauf 213 einer Luftkondensationseinrichtung, beispielsweise einer Klimaanlage, ein.The water can be obtained on board the vehicle through a condensation system 210 with a condenser 210 a, a filter, not shown, and a reservoir 211. The condensate inlet 212 of an exhaust gas condensation device and / or the condensate inlet 213 of an air condensation device, for example an air conditioning system, opens into the reservoir 211 of the condensation system 210.
Die Einspritzung des Wassers erfolgt gegen den Abgasdruck, daher sind Einspritzdrücke von ca. 2 bar bis 5 bar erforderlich.The injection of water takes place against the exhaust gas pressure, therefore injection pressures of about 2 bar to 5 bar are required.
Fig. 14 zeigt eine Ausführungsvariante eines Wassereinspritzsystems 206 und eines Kondensationssystems 210, wobei über eine Abgasentnahmeleitung 214 Abgas aus dem Abgasstrang 203 stromabwärts der beispielsweise durch einen Katalysator gebildeten Abgasnachbehandlungseinrichtung 207 und stromabwärts des Schalldämpfers 215 entnommen und dem Kondensationssystem 210 zugeführt wird. Dadurch, dass das Abgas am Ende des Abgasstranges 203 entnommen wird, findet bereits ein nennenswerter Temperaturabbau statt. Im Kondensationssystem 210 erfolgt unter Kondensation des Abgases oder der Luft unter Nutzung der niedrigen Temperaturen einer Klimaanlage eine Rückgewinnung des Wassers, welches in einem Reservoir 211 gesammelt wird. Das trockene gekühlte Gas wird stromabwärts der Drosselklappe 216 dem Einlassstrang 202 über eine Abgasrückführleitung 214a, in welcher ein Rückschlagventil 217 angeordnet ist, zugeführt. Somit steht im Einlassstrang 202 gekühltes rückgeführtes Abgas zur Verfügung. Die bei Teillast herrschenden Saugrohrdrücke ermöglichen die Abgasförderung zur Kondensation. Bei höherem Ladedruck schließt das Rückschlagventil 217, die Abgasrückströmung und somit die Kondensation unterbleibt. Die Abgaskondensation erfolgt somit nur bei gedrosseltem Teillastbetrieb, wo an sich für die Kondensation günstige niedrige Abgastemperaturen vorherrschen und mit kleinen Kondensationssystemen 210 das Auslangen gefunden werden kann. Um den Bedarf, welcher ausschließlich bei höheren Motorlasten besteht, ausreichend bedienen zu können, ist das Reservoir 211 erforderlich, welches mindestens den Stundenbedarf an Kondensat für einen anfettungsfreien
Nennleistungsbetrieb beinhalten sollte. Zusätzlich zur Kondensation aus dem Abgas können auch aus anderen Fahrzeugsysteme anfallende Kondensate, insbesondere des Wärmetauschers der Klimaanlage genutzt und im Reservoir 211 gesammelt werden.FIG. 14 shows an embodiment variant of a water injection system 206 and a condensation system 210, wherein exhaust gas is taken from the exhaust line 203 downstream of the exhaust gas aftertreatment device 207 formed, for example, by a catalyst and downstream of the muffler 215 via an exhaust gas removal line 214 and fed to the condensation system 210. The fact that the exhaust gas is removed at the end of the exhaust line 203, there is already a significant temperature reduction. In the condensation system 210, with the condensation of the exhaust gas or the air using the low temperatures of an air conditioner, recovery of the water collected in a reservoir 211 occurs. The dry cooled gas is supplied downstream of the throttle 216 to the intake manifold 202 via an exhaust gas recirculation line 214a in which a check valve 217 is disposed. Thus, cooled recirculated exhaust gas is available in the intake manifold 202. The intake manifold pressures prevailing at partial load enable the exhaust gas to be condensed. At higher boost pressure closes the check valve 217, the exhaust gas backflow and thus the condensation is omitted. The exhaust gas condensation is thus carried out only at throttled part-load operation, where favorable for the condensation favorable low exhaust gas temperatures and with small condensation systems 210 Auslangen can be found. In order to be able to serve the demand, which exists exclusively at higher engine loads, sufficient, the reservoir 211 is required, which at least the hourly demand for condensate for a fumigant Should include rated power operation. In addition to the condensation from the exhaust gas, condensate accumulating from other vehicle systems, in particular the heat exchanger of the air conditioning system, can also be used and collected in the reservoir 211.
Wie in Fig. 15 dargestellt ist, können zusätzliche Kondensatmengen aus einem Betrieb mit sauberem, gekühltem und mengengeregelt rückgeführtem Abgas auch bei aufgeladenen Teillasten gewonnen werden, indem Abgas über ein durch die Steuereinheit ECU gesteuertes Regelventil 218 stromaufwärts des Verdichters 204a des Abgasturboladers 204 dem Einlassstrang 202 über eine Abgasrück- führleitung 214b zugeführt wird. Der Betrieb des Kondensationssystems 210 erfolgt dabei durch die Druckdifferenz zwischen dem Eintritt in den Verdichter 204a und dem Abgasdruck stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung 207 unter Zwischenschaltung des Regelventils 218.As shown in FIG. 15, additional amounts of condensate can be obtained from clean, cooled, and controlled volume EGR operation, even at boosted part loads, by controlling exhaust gas to the intake manifold 202 via a control valve 218 controlled by the control unit ECU upstream of the compressor 204a of the exhaust turbocharger 204 is supplied via an exhaust gas recirculation line 214b. The operation of the condensation system 210 is effected by the pressure difference between the entry into the compressor 204a and the exhaust gas pressure downstream of the exhaust aftertreatment device 207 with the interposition of the control valve 218th
Um einen wintersicheren Betrieb zu ermöglichen, kann das Wassereinspritzsystem 206 beheizbar ausgeführt werden.In order to enable winter-proof operation, the water injection system 206 can be made heatable.
Fig. 16 zeigt ein Motorkennfeld einer Otto-Brennkraftmaschine, wobei der Mitteldruck pm über der Drehzahl n aufgetragen ist. Mit A ist der untere Teillastbereich, mit B der mittlere Teillastbereich und mit C der obere Teillastbereich bezeichnet. Insbesondere im mittleren und oberen Teillastbereich B, C treten erhebliche Verbrauchsnachteile verglichen mit stöchiometrischen Betrieb auf, da in diesen Betriebsbereichen eine Anfettung zur Einhaltung von Abgastemperaturgrenzen unbedingt erforderlich ist. Durch Wassereinspritzung in den Bereichen B, C kann eine Anfettung vermieden und somit Verbrauchsnachteile verhindert werden. .16 shows an engine map of an Otto internal combustion engine, wherein the mean pressure p m is plotted against the rotational speed n. A denotes the lower part load range, B the middle part load range and C the upper part load range. Especially in the middle and upper part load range B, C occur considerable consumption disadvantages compared with stoichiometric operation, since in these operating ranges enrichment for compliance with exhaust gas temperature limits is essential. By water injection in the areas B, C can be avoided enrichment and thus consumption disadvantages can be prevented. ,
Die Figuren 17 und 18 zeigen einen Zylinderkopf 301 für eine Brennkraftmaschine mit zwei Einlass- und zwei Auslassventilen pro Zylinder. Mit Bezugszeichen 302 sind die Einlasskanäle, mit Bezugszeichen 303 die Auslasskanäle bezeichnet. Der Zylinderkopf 301 weist einen den Hauptkühlmantel bildenden ersten Kühlraum 304 zur Kühlung thermisch kritischer an den Brennraum grenzender Bereiche auf, welcher über erste Eintrittsöffnungen 305, 306 im Feuerdeck 307 mit einem Kühlmantel eines nicht weiter dargestellten Zylinderblockes verbindbar ist.FIGS. 17 and 18 show a cylinder head 301 for an internal combustion engine having two intake valves and two exhaust valves per cylinder. With reference numeral 302, the inlet channels, designated by reference numeral 303, the outlet channels. The cylinder head 301 has a main cooling jacket forming the first cooling chamber 304 for cooling thermally critical adjacent to the combustion chamber areas, which is connectable via first inlet openings 305, 306 in the fire deck 307 with a cooling jacket of a cylinder block not shown.
Integral mit dem Zylinderkopf 301 ist ein Abgaskrümmer 308 ausgebildet, welcher zumindest teilweise von einem zweiten Kühlraum 309 umgeben ist. Der zweite Kühlraum 309 ist vom ersten Kühlraum 304 im Wesentlichen getrennt und weist separate Eintritte 310 und Austritte 312 für das Kühlmittel auf. In dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel ist der zweite Kühlraum 309
über separate zweite Eintrittsöffnungen 311 in der Zylinderkopfdichtfläche 307a des Feuerdeckes 307 mit dem Kühlmantel des Zylinderblockes verbindbar.Integral with the cylinder head 301, an exhaust manifold 308 is formed, which is at least partially surrounded by a second cooling chamber 309. The second cooling space 309 is substantially separated from the first cooling space 304 and has separate inlets 310 and outlets 312 for the coolant. In the embodiment shown in the figures, the second cooling space 309 connectable via separate second inlet openings 311 in the cylinder head sealing surface 307a of the fire deck 307 with the cooling jacket of the cylinder block.
Durch den separaten zweiten Kühlraum 309 für den Bereich den AbgaskrümmersThrough the separate second cooling chamber 309 for the region of the exhaust manifold
308 kann der Kühlmittelbedarf und die Wärmeabfuhr separat vom ersten Kühlraum 304 gesteuert werden. Der Wassereintritt 310 in den zweiten Kühlraum308, the coolant demand and heat dissipation may be controlled separately from the first cooling space 304. The water inlet 310 into the second cooling space
309 im Bereich des Abgaskrümmers 308 kann durch separate Wassereintrittsöffnungen- von außen oder über die zweiten Eintrittsöffnungen 311 im Feuerdeck 307 erfolgen. Bei der aus den Fig. 17 und Fig. 18 ersichtlichen letztgenannten Ausführung können Drosselöffnungen in der nicht weiter dargestellten Zylinderkopfdichtung im Bereich der zweiten Eintrittsöffnungen 311 vorgesehen sein, um eine zusätzliche Abstimmung der Kühlmittelmenge und eine Gleichverteilung zu ermöglichen.309 in the region of the exhaust manifold 308 can be effected by separate Wassereintrittsöffnungen- from the outside or via the second inlet openings 311 in the fire deck 307. In the case of the latter embodiment shown in FIGS. 17 and 18, throttle openings may be provided in the cylinder head gasket, not shown, in the region of the second inlet openings 311 in order to permit additional coordination of the coolant quantity and an even distribution.
Im Bereich des Kühlmittelaustrittes 312 aus dem zweiten Kühlraum 309 kann vor der Einmündung in den Kühlmittelkreislauf oder in den ersten Kühlraum 304 des Zylinderkopfes 301 ein Thermostatventil 313 oder ein elektrisches Schaltventil zur Steuerung des Zusatzkühlkreises durch den zweiten Kühlraum 309, insbesondere in der Motoraufheizphase, vorgesehen sein.
In the region of the coolant outlet 312 from the second cooling chamber 309, a thermostatic valve 313 or an electrical switching valve for controlling the additional cooling circuit through the second cooling chamber 309, in particular in the engine heating phase, may be provided before the confluence with the coolant circuit or the first cooling chamber 304 of the cylinder head 301 ,